摘要：研究了门式起重机动力学虚拟样机的建模方法,根据刚性体部件、柔性体部件和钢丝绳的特点,分别给出了不同的建模方法。通过对起升工况和大车运行工况进行动力学仿真,得到了整机的位移时间历程、动应力以及各连接件之间的作用力等,较真实地反映了门式起重机在作业过程中的动态特性。
关键词：门式起重机; 动力学虚拟样机; 起升; 大车运行; 动力学仿真

起重机在起动和制动的过程中,承受着强烈的冲击振动,这种冲击振动产生的动载荷在起重机运行过程中的影响是必须加以考虑的。长期以来,在起重机设 计中都是将动态问题简化为静态问题处理,一些国家和国际起重机协会的起重机设计规范均采用一个动载系数φ2 来考虑这种动态载荷。其最大的缺陷是不能够较为准确地反映起重机实际工况的动态性能。近年来,国内外不少研究者根据起重机的实际结构及受载特点,对起重机 结构和机构的振动进行了大量的动态仿真计算和研究分析,使动态仿真方法逐步应用于起重机的设计计算分析中。本文主要探讨将虚拟样机技术运用于起重量为 250 t的门式起重机的动态设计,就门式起重机的起升工况和大车运行工况进行仿真研究,探索建立门式起重机动力学虚拟样机的方法。

1 门式起重机的虚拟样机的建模

1.1 门式起重机的结构组成

门式起重机的整机结构形式如图1所示。主要由小车、门架结构、大车运行机构、副机房、司机室、测风装置和栏杆梯子平台等组成。

门式起重机的门架结构的主梁和支腿均采用箱型焊接结构,主梁和支腿之间通过法兰盘连接。小车位于门架主梁的轨道上,主起升机构和小车运行机构放置于小车上。副机房固定在门架主梁的伸出端,其作用是控制副起升。

1. 副机房 2. 小车 3. 测风装置 4. 主吊钩 5. 司机室 6. 大车运行机构 7. 栏杆梯子平台 8. 副吊钩 9. 门架结构
图1 门式起重机的整机结构

1. 2 刚柔耦合门式起重机模型

本文建立的门式起重机模型是刚柔耦合的虚拟样机模型。采用Pro /E建立门式起重机中的刚体部件,然后导入ADAMS。

柔性体部件的建立(见图2)是采用ANSYS有限元分析计算软件,有限元模型一般采用建立刚性节点的方法实现柔性体与外部构件之间的连接。如图2 中的10个外部节点即为在ADAMS中的联接点,其中, 1～4处装配大车车轮; 5～9处装配小车系统; 7、10 处装配副机房。ANSYS中的柔性体通过mnf. 中性文件导入ADAMS中。

图2 门架结构的有限元模型

钢丝绳是起重机的主要挠性构件。钢丝绳在ADAMS中的建模方法是用一段段的圆柱体通过轴套力 (Bushing)连接来模拟钢丝绳的。这种方法较真实地反映了钢丝绳的拉伸、弯曲等力学性能,但分段很多,计算规模较大。在很多情况下,钢丝绳弹性对系 统影响很小或只有拉伸的影响,因此可以简单地用一个弹簧阻尼器来模拟。本文采用的就是这种方法。本模型中的钢丝绳由3 段圆柱体结合Joint生成,上两段圆柱体之间施加了一个移动副,对其施加运动函数,用于模拟钢丝绳的起升运动;下两段圆柱体之间施加了一个弹簧力,赋予 刚度和阻尼属性,模拟钢丝绳的动力学性能。

当刚性体部件、柔性体部件和钢丝绳等都导入ADAMS后,添加相应的约束和载荷,就生成了门式起重机的整机模型,见图3,通过对整机进行仿真,即可输出仿真分析结果。

图3 门式起重机虚拟样机模型

2 起升工况的动力学仿真

2. 1 起升工况理论计算

2. 1. 1 离地起升启动工况计算

分析整个起升过程,在起升机构刚起动的瞬间,绳索系统是松弛的,因此起升机构运动的第1阶段是在空转,这时松弛的绳索被收紧;当绳索开始受力时, 这一阶段结束,这时m1 具有一定的速度,而m0、m2 还处于静止状态。从绳索受力开始直至滑轮组的弹性张力等于荷载重力Q 为止,这是运动的第2阶段。在这一阶段中, m2 还处于静止状态,而m1 和m0 则在滑轮组弹性力和门架主梁弹性力的作用下产生振动,这一阶段钢丝绳的弹性力将从零增大到Q[ 1 ] 。

第3阶段从吊重离地瞬间开始[ 2、3 ] 。它的计算模型简化为图4。图4中m0 为小车系统的推算质量; k0 为主梁的刚度系数; m1 为电动机转子和机构中所有运动部分的推算质量; m2 为吊重的质量; k为钢丝绳的刚度系数; P为电动机的驱动力; s0、s1、s2 分别表示质量m0、m1、m2 的位移。

图4 起升机构的计算模型

由拉格朗日方程[ 4 ]可以得到m0、m1、m2 的3个运动微分方程:

求解该方程组可以计算出该三质量二自由度的完整解。但考虑到m0 的动变形与静变形相差很少,故不考虑m0 的运动方程,系统简化为二质量一自由度系统。在吊重离地的瞬间, m1 的速度为v,m2 的速度为零,可解得钢丝绳(及传动系统)的力F为:

其中:

离地起升工况中钢丝绳的受力情况可以用以下方程组表示:

其中, [0, t1 )为离地之前的时间; s ( t)为离地之前钢丝绳随时间的伸长量; [ t1 , t2 )为从离地开始到平稳上升之间的时间; [ t2 , t3 )为平稳上升的时间; [ t3 ,t4 )为从制动开始到静止的时间。

该方程组的曲线形式见图5。

图5 吊重离地起升工况的动载荷理论曲线